季节性冻土地区基于温度变化的冬期建筑物越冬维护研究

2021-12-22程东辉司金龙景浩宸郭晓红王孝婷

建筑施工 2021年9期

程东辉司金龙景浩宸郭晓红王孝婷

1. 东北林业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨 150040；

2. 中国建筑第二工程局有限公司辽宁沈阳 110000

近几年随着建筑行业的快速发展以及人们对建筑审美要求的提高，许多高层建筑当年无法竣工并投入使用，建筑基础、地下室及部分主体不可避免地要在冬期负气温条件下越冬[1]。尤其是在中国北方季节性冻土地区，冬季气候严寒，外界的负气温通过与土体的各相介质以及混凝土结构进行热交换，不仅使地基土体内部因温度降低而发生冻结，形成冰晶体夹层，土体体积增大，产生膨胀，导致结构产生不可自愈性的损伤，影响建筑的安全性和耐久性，而且还导致裸露在外的混凝土受冻害影响，强度增长缓慢，甚至出现麻面、脱皮、裂缝等现象。随着国内外学者在冻土领域研究工作的不断开展，地基土产生冻胀对基础的影响越来越受到重视。研究表明，季节性冻土的物理性质不仅与土壤中水分的迁移、土质等因素有关，而且与温度关系更为密切[2]。由于温度对土体冻结影响的机理比较复杂，季节性冻土地区冻土温度场一直是国内外学者的研究热点和难点。从1983年起，我国学者施雅风等[3]、朱林楠[4]、周幼吾等[5]人开始研究冻土温度场，其研究为我国冻土领域发展起到了重要作用。随着计算机模拟技术的蓬勃发展，有限元模拟被广泛应用于冻土温度场的模拟。毛雪松等[6]在室内建立了冻土温度场模型，采集到了该试验模型的试验数据，并通过有限元模拟，证明了在冻土温度场中采用的数学模型具有准确性。杨凯飞等[7]通过将实际试验所得的数据与数值模拟所得的数据相结合，考察了在全球气候变暖大环境下多年冻土路基地温场的分布以及演变规律，发现了冻土路基的稳定性与不对称的地温分布有关。姚兆明等[8]采用了数值模拟法研究了人工冻土冻结温度场，试验实测温度与模拟温度的关系，并利用反分析方法，得到了最优导热系数。

在实际工程中，施工单位为了防止建筑物在越冬阶段遭受不同程度的破坏，投入大量的人力、物力、财力进行越冬维护。虽然近几年由于新的保温材料和技术的出现，冬季施工技术取得了很大的进步，但在越冬维护方面依然存在以下问题：缺乏明确的越冬维护标准规范等相关文件，无法为越冬维护方案设计与施工提供指导；施工单位不能对温度进行有效监控，存在监测效率低、数据准确率低等问题；部分工程技术人员对越冬维护工作重视程度较低。因此，由于未能采取有效的越冬维护而导致的工程事故屡见不鲜，不仅增加工程的建造成本，还影响了工期。本文主要是在前期研究成果的基础上，结合工程实践和试验数据，采用有限元软件模拟冻土的温度场，研究不同监测点的实际温度与模拟温度之间的关系，为工程实践提供指导。

1 温度场监控与模拟

1.1 工程试验介绍

考察结构基础部分混凝土在越冬维护期间温度场的变化，以吉林省松原市某在建工程为依托，特设计制作了1组试验试件，每组3个试件，尺寸为3 000 mm×3 000 mm×200 mm（长×宽×高），混凝土强度等级为C30，试件与自然面高程同高。试验过程中，构件下部做100 mm厚C15混凝土垫层，垫层宽度超出构件100 mm。每个构件设置3个温度监测点，监测点C1位置设置在垫层与土体接触面，监测点C2设置在冻土层内，监测点C3设置在冻土层下1 m处，试验环境与实际工程项目地下室基础施工环境一致。试验构件平面如图1所示，试验构件剖面如图2所示。

图1 试验构件平面示意

图2 试验构件剖面示意

1.2 试验材料

试验过程中混凝土试件设计强度等级为C30，垫层强度等级为C15，水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；粗骨料选用粒径为5～20 mm的碎石，连续颗粒级配；细骨料选用河砂；高效减水剂采用聚羧酸高性能减水剂。混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

1.3 试验结果

试验过程中提前埋设测温导线，每日早中晚定时对试件进行3次温度监测，并记录2019年1月1日至2019年1月31日的温度数据。从监测点C1～C3的温度监测数据可知，土体越往下，土体温度越高；越靠近地表面，温度受大气温度影响越大。从冻土层温度变化可以判断出松原市处于季节性冻土地区的冻土层较为稳定。1月份已处于－30 ℃左右，土体处于冻结阶段。实际工程中，如果只靠回填土覆盖，地基土依然会因负气温梯度影响而产生冻胀破坏，因此要重视此阶段的越冬维护保温工作。

2 有限元温度模拟

2.1 温度场方程

温度场是指物质所有点在各个时段内温度值的总和，其内部各点的温度与时间、空间坐标之间存在一定的导热关系[9]。在模拟计算过程中只考虑热传导引发的热量传递，因此温度场的数学模型表达式为[10]：

2.2 模型建立

本文借助多物理模拟软件COMSOL Multiphysics，以上部试验构件为实例，通过有限元软件内部带有的传热模块进行模拟。垫层尺寸为3 200 mm×3 200 mm×100 mm，混凝土结构尺寸为3 000 mm×3 000 mm×200 mm。考虑到两侧温度边界条件的设定，土体宽度设为20 m，计算深度选取为地面以下14 m。土层①为粉质黏土，厚度为2 m；土层②为细砂土，厚度为12 m。为了简化计算，考虑到实际试验模型的对称性，在模拟工程中计算区域取为以模型中心线为对称轴的1/2建立二维模型。模型尺寸如图3所示。

图3 模型尺寸示意（单位：m）

对于温度边界条件的选取，模型顶部温度边界条件按第一边界条件选取，取为当地11月份至次年3月份温度梯度函数；模型左右边界按第二边界条件选取，因土体足够远，可近似认为是绝热边界，热通量为零；土体底部初始温度设置为年恒温带温度，即T0=276.15 K[9]；左侧横断面设为对称边界；试件模型底部设为固定边界。模型冻结时间取为越冬期间温度最低的1月份，计31 d，24 h为一个时间步长。模型传热过程属于瞬态传热，采用轴对称单元进行求解。

在模拟土体温度场时，为了简化模型，假设土体稳定冻结时土体各向处于局部热平衡状态，热力学参数近似不变；冻土土质均匀，且为各向同性；热量传递方式为传导，忽略对流传热；模拟过程遵循傅里叶定律[11-12]。

2.3 实际温度监测与模拟分析

通过对试验实测温度数据与模拟得到的数据进行整理、分析，得到了C1～C3这3个监测点的温度监控值和模拟值对比曲线图，具体如图4～图6所示。

图4 C1监测点实际温度与模拟温度对比示意

图5 C2监测点实际温度与模拟温度对比示意

图6 C3监测点实际温度与模拟温度对比示意

图4显示了监测点C1，即垫层与土壤边界处的温度对比情况，从图中两者的温度曲线对比可知，模拟温度整体在－12～－6 ℃范围内呈递减趋势，而实际温度起伏较大，但模拟温度曲线走向与实际温度最低值点较为符合，具有一定的参考意义。当监测天数d≥8时，模拟得到的温度下降速度较快，模拟温度值整体大于实际温度值，这是因为在模拟过程中温度的大小分布情况是由给定的温度边界条件和上部混凝土试件的热性能参数决定的，因此温度变化符合温度场微分方程。但在实际中，垫层与土壤之间的温度不仅受大气温度影响，还受上部混凝土材料浇筑情况以及人为误差等不可进行模拟的因素影响，因此实际温度与模拟温度存在一定的误差；当监测天数9＜d≤21时，因为C1监测点位置的温度受土体内部水分相变放出一定热量的影响，减缓了外界气温的下降速度，从而使此阶段温度以0.2 K/d的速度稳定下降，且与实际温度最低值吻合；当监测天数d≥22时，土体内部因相变产生热量引起部分冰转化为水的过程中需要吸收大量热量，同时受外界温度进一步降低的影响，导致温度下降速度加快。此时间段模拟得到的平均温度为11.2 ℃，实测平均温度为10.6 ℃，两者相比较差异较小，从而也看出模拟温度稍低于实际温度，在实际工程越冬维护工作中采用温度数值模拟是可行的。

图5为冻土层内的温度监测值和模拟值的曲线对比图。从图中曲线可以看出，1月份松原市冻土层内实际温度在－4～－3 ℃，温度高低受大气温度影响较小；相较于实际温度，模拟温度在－4～－2 ℃范围内变化，模拟温度曲线呈现先下降后上升，稳定，最后小幅度下降的趋势。实测平均温度和模拟平均温度两者仅相差0.9 K，且模拟温度曲线变化与实际温度最低点基本一致。对比实际监测的温度，模拟温度更加符合文献[13]中土的冻结阶段温度特征曲线。当监测天数d≥8时，此阶段是土体冻胀增长激烈阶段，此时冻土中冰晶体形成，这个阶段所产生的冻胀量约占最大冻胀量的70%；当监测天数9＜d≤14时，由于水的相变，会放出大量的相变潜热，致使土体温度迅速上升；当监测天数d≥15时，随着大气温度进一步降低，由于土中的自由水已经被冻结，薄膜水的结晶需要更低的温度，随着薄膜水厚度的不断变薄，此时土颗粒表面对其的吸附力越来越大，因此温度降低。

图6为冻土层下1 m处的温度监测值和模拟值的曲线对比图。从两者温度变化曲线可以看出：模拟温度值整体呈现上升趋势，温度最大升温速率可达0.3 K/d，而实际温度值波动较大。实际监测平均温度为1.61 ℃，而模拟平均温度为1.60 ℃，因此此测点温度模拟效果良好。

由于松原市处于较稳定的长年季节性冻土地区，冻土层厚为1.6 m，冻土层以下的土体温度较稳定，几乎不受外界温度的影响。温度上升是因为在土体冻结期间，冻土层内的土体受负气温影响发生相变，根据C2监测点温度，整体处于－3 ℃左右，是剧烈相变区，释放出大量的热量，热量往下传导，导致冻土层下部的土体土温自然缓慢升高，并处于稳定状态。由C1、C2温度监测点相比可知，冬季负气温对冻土层以上的土体影响较大，特别是对裸露在外的建筑物的影响比较明显，因此在实际工程中要特别重视对此范围内土温的监控。